砷是一种全球范围内普遍存在的对人体危害极大的非金属污染物。半数以上世界人口都以水稻作为主要粮食作物，近年来通过食用稻米产生的人体对砷的摄入已经引起了极大关注。砷的生物转化包括砷的氧化、还原和甲基化，以及转变为更为复杂的有机砷产物。亚砷酸甲基转移酶催化As(Ⅲ)的甲基化作用，生成单甲基砷、二甲基砷、三甲基砷等甲基砷产物，其中一些产物的毒性低于As(Ⅲ)。目前已经克隆到多种生物中的亚砷酸甲基转移酶基因，并证明其诱导的砷的甲基化及挥发过程在砷抗性中发挥着重要作用。但迄今为止，尚未在水稻等高等植物的基因组中克隆到亚砷酸甲基转移酶基因。镉是环境中另外一种重要的有毒污染物，主要通过食物链进入人体，并引发包括癌症在内的严重健康风险。植物络合素对包括砷和镉在内的多种重金属和非金属都具有很强的亲和性，通过将其屏蔽进入液泡达到解毒的目的。　　 本研究一方面以成功整合了红假单胞杆菌中的亚砷酸甲基转移酶基因arsM的日本晴水稻为供试材料，研究转基因水稻中砷的生物转化过程。另一方面，以水培的日本晴水稻为供试材料，研究砷镉交互作用对植株的生长、砷和镉的转运及其诱导产生的植物络合素的影响。此外，对嘉花1号水稻中的一种亚砷酸甲基转移酶候选基因进行了克隆与功能鉴定。　　 1．细菌亚砷酸甲基转移酶基因在水稻体内诱导的砷的生物转化　　 红假单胞杆菌中的arsM基因在水稻中诱导砷的甲基化及挥发过程。转基因水稻地下部和地上部均检测到两种甲基砷产物，单甲基砷MAs(Ⅴ)和二甲基砷DMAs(Ⅴ)。在As(Ⅲ)和DMAs(Ⅴ)处理12天后，利用化学捕获系统均收集到转基因水稻产生的挥发性气态砷，推测其主要成分为砷甲基化的最终产物三甲基砷TMAs(Ⅲ)。TMAs(Ⅲ)是一种毒性很低的气体，因此砷的挥发过程是水稻的一种解毒途径。此外，在DMAs(Ⅴ)处理下，转基因水稻地下部和地上部的As(Ⅲ)含量及百分比升高，DMAs(Ⅴ)含量及百分比降低。本研究不仅为砷污染土壤和水体提供了一种潜在的植物修复策略，同时也为提高水稻食品安全提供了一定的理论支持。　　 2．水稻体内的砷镉交互作用　　 研究结果表明，低浓度的砷镉复合处理可以促进水稻生长。添加镉对砷的影响如下：在As(Ⅲ)处理下，添加镉抑制了砷由地下部向地上部的转运，砷的转运系数显著减小，地上部的植物络合素与砷的摩尔浓度比显著增加；在As(Ⅴ)处理下，添加镉降低了地上部的砷浓度，砷的转运系数显著减小，地下部和地上部的植物络合素与砷的摩尔浓度比显著增加。添加砷对镉的影响如下：添加As(Ⅴ)促进了镉由地下部向地上部的转运，镉的转运系数显著升高，地下部的植物络合素与镉的摩尔浓度比显著增加；而添加As(Ⅲ)仅降低了地下部的镉浓度，对镉的转运系数及地下部和地上部的植物络合素与镉的摩尔浓度比没有显著影响。推断植物络合素的螯合和屏蔽效应在水稻体内的砷镉交互中发挥着关键作用，对砷和镉由地下部向地上部的转运产生重要影响。　　 3．水稻亚砷酸甲基转移酶候选基因的功能验证　　 从水稻地下部克隆得到位于第6号染色体上的亚砷酸甲基转移酶候选基因Os06g06040，将其转化到缺失arsRBC操纵子的砷敏感型大肠杆菌突变体AW3110(DE3)中，进行功能互补实验。结果表明，大肠杆菌突变体没有获得对As(Ⅲ)的抗性。蛋白质印迹鉴定的结果也表明其纯化蛋白没有表现出亚砷酸甲基转移酶的活性。